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Wechselstromgleichrichter Gegenstand der Erfindung ist ein Wechselstromgleichrichter
von der Gattung, bei welcher mit einem aus zwei voneinander isolierten Kontakten
bestehenden Gleitkontaktsystem ein Stromabnahmesystem zusammenwirkt und eines der
beiden Systeme durch ein Magnetfeld in Schwingungen versetzt wird.
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Bekannte Einrichtungen dieser Art bilden nur das eine der beiden Systeme
mit Gleitflächen aus, _ während das andere System rollenförmige' Kontaktorgane aufweist.
Die Folge davon ist, daß die Berührung zwischen den beiden Systemen nur längs einer
Punktreihe erfolgen kann, wodurch einerseits die Gefahr von Funkenbildungen beim
Übergang von einem Kontaktstück zu dem von diesem isolierten zweiten Kontaktstück
gegeben ist und anderseits für die Leistung eine sehr niedrige Grenze besteht. Abgesehen
davon ist der Verschleiß rollenförmiger Kontaktorgane insbesondere bei Verwendung
von Kohle außerordentlich groß, so daß bekannte Gleichrichter dieser Gattung wegen
der geringen möglichen Leistung einerseits in der Anwendung außerordentlich beschränkt
und anderseits im Betrieb unwirtschaftlich sind.
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Die Erfindung ermöglicht es nun, mittels schwingender Gleichrichter
auch bei kleineren Spannungen hohe Ströme zu erzielen, was aber nur dadurch erreicht
werden kann, daß der Spannungsabfall durch den Kommutierungsvorgang und der Kommutierungsstrom
nahezu Null werden. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Breite
der Bürste des Stromabnahmesystems praktisch gleich, keinesfalls aber kleiner gewählt
wird als die Breite der Isolierschicht zwischen den Gleitkontakten. Es erfolgt daher
der Kontakt stets durch Berührung von Flächen, wodurch die Übertragung beliebig
großer Ströme ermöglicht wird. Ferner wird jeder von Null verschiedene Wert der
Wechselstromhalbwellen gleichgerichtet dem Verwendungsort zugeführt; ein vollständig
funkenfreies Arbeiten ist dadurch gewährleistet, daß der Übertritt des Stromabnahmekörpers
von einem Kontakt zum anderen im Augenblick des Stromwertes Null erfolgt und die
wirksame
Kontalztfl#-iclie mit der Zunahme des jeweiligen Stromwertes
wächst bzw. mit diesem abnimmt. Bei größtem Stromwert wird daher auch die Kontaktfläche
am größten sein. Mit dem Stromwert sinkt auch die Kontaktfläche wieder auf Null.
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Vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Breite der Gleitkontakte etwa
der Breite der Bürste entspricht und die Breite der Stromabnahmebürste um ein Differential
größer ist als die Breite der die Kontaktstücke voneinander isolierenden Schicht.
Es hat sich ferner als besonders zweckmäßig erwiesen, bei Verwendung von die mechanischen
Schwingeigenschaften des Kontaktsystems beeinflussenden Federn die Spannung dieser
Federn außer durch Verstellung ihrer Angriffspunkte am Widerlager auch durch Verkürzung
oder Verlängerung des Abstandes zwischen den Federangriffspunkten am Schwingsystem
und dem Drehungsmittelpunkt dieses Systems zu regeln, wodurch der mechanische Schwingungszustand
des Ankers in weitaus genauerer Form geregelt werden kann als bloß durch die bisher
übliche Veränderung der Federspannung auf gleichbleibender Wirkungslinie.
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Die Erfindung ermöglicht demnach den Bau eines Pendelgleichrichters
für hohe Stromstärken und kleine Spannungen, während man bisher für dieses Gebiet
ausschließlich auf die Verwendung von rotierenden Gleichrichtern, die wesentlich
teurer und verwickelter sind, angewiesen war.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigt Abb.5 eine grundsätzliche Darstellung des Erfindungsgedankens. Abb.
2 -neigt die eine Ausführung schematisch; das Schaltbild hierzu ist in Abb. i veranschaulicht.
Abb. 4. ist eine schematische Darstellung der zweiten Anordnung, Abb. 3 das zugehörige
Schaltbild.
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Zunächst soll der Erfindungsgedanke an Hand der grundsätzlichen schematischen
Darstellung gemäß Abb. 5 behandelt -werden.
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Zwischen den Polen eines Magneten i befindet sich im Luftspalt eine
Drahtspule. In der Darstellung ist der Einfachheit halber eine Leiterschleife 2
angenommen, welche an eine Wechselstromquelle, beispielsweise über einen Transformator
T, angeschlossen ist. An die Leiterschleife ist mittels eines Verbindungsstabes
3 das eine der beiden kontaktgebenden Systeme angeschlossen. Beim Ausführungsbeispiel
ist dieser Anschluß für den Stromabnehmer 4. durchgeführt, welcher vorteilhaft als
Kohlebürste ausgebildet ist. Das Gleitkontaktsvstem besteht aus den beiden Gleitkontakten
6 und der zwischen diesen befindlichen Isolierschicht 5, welche körperlich derart
ausgebildet ist, daß sie mit den Gleitkontakten 6 eine Fläche bildet, auf welcher
die Bürste 4 schleift, sobald sie nach Einschaltung eines Wechselstromes in der
Leiterschleife 2 infolge der Beeinflussung derselben durch das Feld des Magneten
i in eine hin und her schwingende Bewegung versetzt wird. Mit den Kontakten 6 ist,
beispielstveise über denselben vorhin erwähnten Transformator T, eine Wechselstromquelle
in Verbindung.
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`Wird das System in Bewegung gesetzt, so gießt nach bekannten Grundsätzen
ztvischen der Kohlebürste 4 und der Mittelanzapfung der Transformatorwicklung ein
Gleichstrom. Voraussetzung für das richtige Arbeiten der Einrichtung ist, daß die
vom Wechselstrom durchflossene Spule o. dgl. 2 im Magnetfeld t synchron mit der
Frequenz des jeweiligen Wechselstromes schwingt, was in einfachster Weise dadurch
erreicht wird, daß die Spule, Leiterschleife :2 o. dg1. von einem Wechselstrom durchflossen
wird, welcher mit dem ztt transformierenden gleichartig ist. Im übrigt-n kann jedes
schwingungsfähige Gebilde für die Durchführung der Erfindung zur Übertragung von
Strömen in unbegrenzter Höhe Verwendung finden, wenn nur die Antriebsenergie dieses
schwingenden Gebildes groß genug ist, um unter dem erforderlichen Bürstendruck eine
ausreichende Wirkung zu erzielen.
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In der schematischen Darstellung ist die L'bertragung der -den beiden
Gleitkontaktstücken 6 zukommenden Wechselstromlialbwellen schematisch angedeutet.
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Die Breite der Bürste 4. ist erfindungsgemäß zu den bereits angegebenen
Zwecken mindestens in der Breite der Isolierschicht 5 ausgebildet. Auch die Breite
der Gleitkontakte 6 ist ungefähr gleich groß.
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In der praktischen Ausführung wird eines der beiden Systeme 4. bzw.
5, 6 mit Vorteil am Ende eines Hebels befestigt, der im Drehpunkt einer im Magnetfeld
schwingenden Spule schwenkbar gelagert ist, -während die Teile des anderen Systems
entsprechend segmentförmig ausgebildet sind. In diesem Sinne können entweder die
Gleitkontakte 6 mit dem Isolierstück 5 ortsfest und das Stromabnahmeorgan s beweglich
ausgebildet sein, oder es kann die umgekehrte Anordnung Verwendung finden. Eine
derartige Ausführung -weist mit dem Aufbau einer Dynamomaschine gewisse Ähnlichkeiten
auf.
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Im nachfolgenden werden nun zwei pralktische Ausbildungsmöglichkeiten
der Erfindung und die zugehörigen Schaltschemen besprochen.
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In den Abb. i und 2 bedeutet i einen permanenten Magneten N-S, in
dessen Feld eine von Wechselstrom durchflossene Spule 2 um eine Achse 12 schwingbar
gelagert ist. Die Spule ist mit einem Arm 3 in starrer Verbindung,
welcher
die Gleitkontaktstücke G und die dieselben voneinander isolierende Schicht 5 trägt.
_ Bei den Ausführungsbeispielen besteht diese Schicht aus einem metallischen Mittelteil
7 und -zwischen diesem und den Gleitkontaktstücken 6 angeordneten Isolierteilen
B. Hierbei ist die Stärke der metallischen Mittelschicht 7 so groß gewählt, daß
sie einen Großteil der Stärke 14 der gesamten die Gleitkontakte 6 voneinander isolierenden
Schicht 7, 8 aufweist. Dies zu dem Zweck, um eine vollkommen gleichmäßige Abnutzung
der gesamten Oberfläche des Gleitkontaktsystems 6, 7, 8 infolge der darübergleitenden
Bürste 4. zu gewährleisten. An Stelle des Metalls könnte für das Mittelstück 7 jedes
beliebige andere Material Verwendung finden, welches sich gleichmäßig mit den Gleitkontaktstücken
6 im Betrieb abnutzt. Bei den Ausführungsbeispielen ist der metallische Mittelteil
7 als Steg eines T-förmigen Profilstückes ausgebildet, von dessen Flanschen 15
die Gleitkontaktstücke 6 ebenfalls isoliert sind. Die Gleitkontaktstücke sind auch
an ihrer Außenseite mit Isolierauflagen 9 versehen zum Zwecke der unbedingten Vermeidung
einer Kontaktmöglichkeit zwischen der Kohle q. mit dem Gleitkontaktsystem im Falle
eines Risses oder Bruches einer der zur Sicherung der Mittellage des Systems vorgesehenen
Federn, insbesondere Zugfedern 13. Die Gleitfläche des gesamten Gleitkontaktsystems
ist als Zylinderfläche um den Mittelpunkt 12 des Armes 3 ausgebildet. -Um das Gleitkontaktsystem
6-9 genau in die Mittelhage einstellen zu können, sind die Federn 13 mit auf sie
einwirkenden Justiermitteln, z. B. Justierschrauben 16, vorgesehen. Das in der beschriebenen
Weise schwingbar angeordnete Kontaktsystem hat eine gewisse mechanischeEigenschwingungsfähigkeit,welche
mit dem elektrischen Schwingungswert des jeweils verwendeten Wechselstromes in einem
besonderen Verhältnis stehen soll, um einen dauernden, störungsfreien Betrieb des
Gleichrichters zu gewährleisten. Eine Beeinflussung dieses Schwingungszustandes
kann einerseits durch Änderung der Spannung der Federn 13, in viel wirkungsvollerer
Weise jedoch durch Vergrößerung oder durch Verkleinerung des Abstandes des Federangriffspunktes
vom Drehungsmittelpunkt 12 des Schwingsystems, bewirkt werden. Eine diesbezügliche
Möglichkeit ist in Abb. q. dadurch kenntlich gemacht, daß eine zur Befestigung der
Zugfedern o. dgl. dienende Verschraubung 17 o. dgl. längs eines mit dem Spulenkörper
io starr verbundenen Armes i i verstellbar ist.
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Das Schwingungssystem i, 2 kann, so wie in Abb. i und 2 dargestellt,
in der bei Magnetinduktoren üblichen Weise ausgebildet sein. Die beiden Enden der
Transformatorwicklung sind an die beiden Gleitkontäktlamellen 6 gelegt, so daß diesen
die jeweiligen Wechselstr omhalbwellen zugeführt werden. In an sich bekannter Weise
kann gegen die Mitte der Transformatorwicklung ein Gleichstrom abgenommen werden.
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Abweichend davon ist in Abb. 3 und q. eine andere Möglichkeit dargestellt.
Der Magnet i ist nicht mehr als permanenter Magnet ausgebildet, sondern durch einen
Wechselstrommagnet mit der Spule i8 dargestellt. Zwischen den Polschuhen desselben
schwingt als konstanter Magnet N-S der Anker. Dieser trägt eine Wicklung i9, welche
im Hauptstromkreis des Gleichstromes liegt, so wie dies aus dem Schaltschema gemäß
Abb.3 zu entnehmen ist. Die magnetischen Kräfte, welche die Ankerschwingung bewirken,
ändern sich mit der Gleichstrombelastung. Die Ankerschwingung und damit der Ausschlag
des Gleitkontaktsystems wächst also beispielsweise mit der Gleichstrombelastung
und sinkt ebenso mit dieser. Dies hat den großen Vorteil zur Folge, daß auch die
jeweils wirksamen Kontaktflächen zwischen den Gleitkontakten 6 und der Kohlebürste
4. sich entsprechend der Belastung ändern. Um durch das System von vornherein eine
bestimmte Stromrichtung zu gewährleisten und das System auch ohne äußere Belastung
schwingfähig zu machen, ist es vorteilhaft, dem Anker selbst ein konstantes, wenn
auch nur schwaches Magnetfeld zu geben. Dies wird gemäß Abb. -. dadurch erreicht,
daß der die im Gleichstromhauptkreis liegende Wicklung i 9 tragende Anker i o ganz
aus Stahl oder teilweise aus magnetisierten Stahlplättchen und teilweise aus Weicheisenplättchen
besteht. Der im Stahl des Ankers verbleibende permanente Magnetismus macht das System
auch ohne Belastung schwingfähig und bestimmt durch die konstante Polarität die
gleichbleibende Richtung des Gleichstromes an den Klemmen. Infolge der sich mit
der Belastung ändernden Größe der wirksamen Kontaktflächen eignet sich die in Abb.
,4 dargestellte Ausffihrungsförm besonders für große- Gleichrichter mit niedrigerer
Leerlaufleistung, insbesondere auch für Ladegleichrichter. Die Stromzuführungsorgane
sind bei beiden Ausführungsformen mit 2o bezeichnet.
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Die Einspannung der Kohlebürste ,4 erfolgt an einem mit ortsfestem
Gelenk 2 i gelagerten Hebel 22. Die erforderliche Anpressung der Bürste an das Gleitkontaktsystem
wird durch eine auf den Hebe122 einwirkende Feder 23 bewirkt. Das Stromabführungskabel
ist mit 24. bezeichnet. Die beschriebene ortsfeste Einspannung, wofür eine Klemmvorrichtung
25 beliebiger Art Verwendung finden kann, hat
zur Folge, daß ein
Ecken der Kohle ,4 im Betrieb ausgeschlossen erscheint: Um auch bei Abnutzung der
Kohle eine stets richtige Auflage auf dem Gleitkontaktsystem zu bewirken, weist
der Längsschnitt der Bürstenkohle 4. dem Halbmesser des Hebels 22 angepaßte kreisringförmige
Begrenzungen 26 auf.
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Die Bürste 4. ist mindestens mit der Breite der Isolierschicht 5 bzw.
8-7-8 ausgeführt. Es hat sich aus Versuchen des Erfinders nun gezeigt, daß der Gleichrichter
außerordentlich große Überlastungen ohne die geringste Funkenbildung verträgt, wenn
die Breite der Stromabnehmerbürste q. um ein Differential größer gewählt wird als
die Breite der die Kontaktstücke 6 voneinander trennenden Schicht 8-7-8. Dadurch
ist die Gefahr einer Unterbrechungsmöglichkeit, welche eine Funkenbildung veranlassen
könnte, überhaupt ausgeschlossen. Der hierdurch im Stromkreis hervorgerufene Kurzschluß
ist praktisch bedeutungslos, weil er nur im Augenblick der 'Mittelstellung eintritt.
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Es ist ein wesentliches Erfordernis für die praktische Brauchbarkeit
des Systems, daß das Schwingungssystem um die Achse 12 mit dem zu transformierenden
Wechselstrom synchron schwingt und die Berührung der Bürste mit den Kupferlamellen
der Gleitkontaktstücke absolut konphas erfolgt. Aus diesem Grunde ist die Anwendung
eines Schwingungssystems, wie beispielsweise eines der beschriebenen, für die praktische
Auswertung der Erfindung von wesentlichster Bedeutung.